Successfully reported this slideshow.
We use your LinkedIn profile and activity data to personalize ads and to show you more relevant ads. You can change your ad preferences anytime.
Methee Sriprapun, PhD 
Faculty of Medical Technology Huachiew Chalermprakiet University 
1
Objectives 
•เข้าใจความสาคัญของการควบคุมการแสดงออกของยีน 
•อธิบายกระบวนการควบคุมการแสดงออกของยีนได้ 
•อธิบาย ยกตัวอย่าง เป...
Central dogma of molecular biology 
DNA 
RNA 
Protein 
Replication 
Transcription 
Translation 
Reverse Transcription 
3
Gene expression 
•กระบวนการนาข้อมูลสารพันธุธรรมในยีนไปสร้างเป็นผลผลิต ของยีนได้แก่ mRNA หรือโปรตีน 
•Transcription and tra...
Gene Expression 
5 
http://barleyworld.org/sites/default/files/figure-08-01_0.jpg
3 types of gene expression 
6 
-Constitutive gene expression  essential genes for living cells  housekeeping genes 
-Ind...
Gene expression 
(Simmons MJ and Snustad DP, 2010) 
Inducible gene expression 
-lactose: inducer 
- -galactosidase 
Repr...
Regulation of gene expression 
•เพื่อให้สิ่งมีชีวิตสามารถดารงชีวิตอยู่ได้ในสภาวะแวดล้อมที่เปลี่ยนไป •เป็นการควบคุมการสร้าง...
Gene regulation found in all steps of gene expression in prokaryotes 
9 
(Simmons MJ and Snustad DP, 2010)
What is “Operon” ? 
•Bacterial gene organization 
•Cluster of genes under the control of the same promoter and operator 
•...
http://www.nature.com/scitable/resource?action=showFullImageForTopic&imgSrc=/scitable/content/33138/pierce_16_3_FULL.jpg 
...
Inducible & repressible operons 
•Defined by the response of operon to metabolite 
(small molecule) 
Adapted from :http://...
Inducible operon 
13 
(Simmons MJ and Snustad DP, 2010)
Repressible operon 
14 
(Simmons MJ and Snustad DP, 2010)
Terminology 
•Promoter: ตาแหน่ง sequence บน DNA ที่ให้ RNA 
polymerase เข้ามาจับเพื่อการถอดรหัส 
15 
http://connorfowlerdo...
Terminology (II) 
•Operator: เป็นตาแหน่ง DNA sequence ที่ให้ 
regulatory protein เข้ามาจับ •Inducer : โมเลกุลของสารที่เหนี...
Lac operon 
•F. Jacop and J. Monod (1961) 
•Inducible operon (inducer: allolactose) 
•Enzyme synthesis for lactose metabol...
Components of lac operon 
•Regulatory gene (I or lac I gene) 
•Promoter gene (P or lac P gene) 
•Operator gene (O or lac O...
Components of lac operon (II) 
•Structural genes 
- lac Z gene: ควบคุมการสร้างเอนไซม์ -galactosidase 
- lac Y gene: ควบคุ...
Components of lac operon 
20 
http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL2060/BIOL2060-23/23_02.jpg
Gene regulation in lac operon 
•Negative regulation 
- repressor protein 
•Positive regulation 
- presence or absence of g...
Negative regulation of lac operon 
•Absence of lactose but presence of glucose 
Lac I สร้าง repressor protein ไปจับบริเวณ ...
Negative regulation of lac operon 
•Presence of lactose but absence of glucose 
Inducer binds with repressor protein & inh...
http://bio1151.nicerweb.com/Locked/media/ch18/lac_operon.html 
24
Lactose & Allolactose 
25 
-1, 6-glycosidic linkage 
-1, 4-glycosidic linkage
Positive regulation of lac operon 
•Presence of both glucose and lactose 
  -galactosidase จนกว่า glucose จะถูกใช้ไป 
ห...
CAP-cAMP 
•CAP: cyclic AMP receptor protein or catabolite 
activator protein : promoter 
•cAMP: effector molecule  adenos...
28 
http://cnx.org/content/m44535/latest/
29 
(Alberts et al., 2007) 
= cAMP
Summary of lac operon 
Glucose 
cAMP 
Lactose 
Expression of lac operon 
+ 
 
- 
No mRNA 
+ 
 
+ 
Slow mRNA synthesis 
-...
Trp operon 
•Charles Yanofsky and his colleaque(1981) 
•Repressible operon 
•Enzyme for tryptophan synthesis (anabolic pat...
Components of Trp operon 
•Promoter, operator, attenuator (leader region) 
•Structural genes 
- trp E  antranilate synthe...
(Russell PJ, 2010) 
33
Regulation of trp operon 
Presence of tryptophan 
34 
Tryptophan binds with inactivate (aporepressor) repressor protein 
...
Regulation of trp operon 
Absence of tryptophan 
35 
No tryptophan binds with inactivate repressor protein 
No active rep...
(Alberts et al., 2007) 
36
Attenuation mechanism 
•Mechanism for controlling tryptophan synthesis 
•Attenuator sequence: leader region near trpL sequ...
Possibility of mRNA folding 
38 
Leader peptide: 14 aa 
(2 tryptophan molecules)
http://www.nature.com/scitable/resource?action=showFullImageForTopic&imgSrc=/scitable/content/19425/pierce_16_16_FULL.gif ...
40
http://www.csun.edu/~hcbio027/biotechnology/lec4a/trp.html 
Summary of trp operon 
41
Summary of lac and trp operons 
Lac operon 
Trp operon 
Type of operon 
Inducible 
Repressible 
Metabolism 
Catabolism 
An...
Gene regulation in Eukaryotes 
•Absence of operon 
•Regulation in each level of expression 
43 
(Alberts et al., 2008)
44 
http://www.mun.ca/biology/ 
desmid/brian/BIOL2060/ 
BIOL2060-23/23_10.jpg
References 
•เอกสารประกอบการสอน MT4021 เทคโนโลยีชีวภาพ เรื่อง การควบคุมการแสดงออก ของยีน คณะเทคนิคการแพทย์ มหาวิทยาลัยหัวเ...
Upcoming SlideShare
Loading in …5
×

Regulation of gene expression

9,671 views

Published on

Regulation of gene expression, lac and trp operon

Published in: Science

Regulation of gene expression

  1. 1. Methee Sriprapun, PhD Faculty of Medical Technology Huachiew Chalermprakiet University 1
  2. 2. Objectives •เข้าใจความสาคัญของการควบคุมการแสดงออกของยีน •อธิบายกระบวนการควบคุมการแสดงออกของยีนได้ •อธิบาย ยกตัวอย่าง เปรียบเทียบ วิเคราะห์ กลไกควบคุม การแสดงออกของยีนได้ - lac operon - trp operon 2
  3. 3. Central dogma of molecular biology DNA RNA Protein Replication Transcription Translation Reverse Transcription 3
  4. 4. Gene expression •กระบวนการนาข้อมูลสารพันธุธรรมในยีนไปสร้างเป็นผลผลิต ของยีนได้แก่ mRNA หรือโปรตีน •Transcription and translation processes •Prokaryotes : transcription และ translation เกิดใน cytoplasm •Eukaryotes : transcription เกิดใน nucleus translation เกิดใน cytoplasm 4
  5. 5. Gene Expression 5 http://barleyworld.org/sites/default/files/figure-08-01_0.jpg
  6. 6. 3 types of gene expression 6 -Constitutive gene expression  essential genes for living cells  housekeeping genes -Inducible gene expression  enzymes in catabolic pathways -Repressible gene expression  enzymes in anabolic pathways
  7. 7. Gene expression (Simmons MJ and Snustad DP, 2010) Inducible gene expression -lactose: inducer - -galactosidase Repressible gene expression -Tryptophan: co-repressor - tryptophan synthesis 7
  8. 8. Regulation of gene expression •เพื่อให้สิ่งมีชีวิตสามารถดารงชีวิตอยู่ได้ในสภาวะแวดล้อมที่เปลี่ยนไป •เป็นการควบคุมการสร้างหรือยับยั้ง gene product เช่น RNA หรือโปรตีน ในสภาวะต่างๆ ของสิ่งมีชีวิตเพื่อตอบสนองต่อสิ่งแวดล้อม -Positive regulation: ควบคุมให้มีการแสดงออกของยีน * activator  RNA polymerase -Negative regulation: ควบคุมไม่ให้มีการแสดงออกของยีน * active repressor  transcription * inducer + repressor   transcription 8
  9. 9. Gene regulation found in all steps of gene expression in prokaryotes 9 (Simmons MJ and Snustad DP, 2010)
  10. 10. What is “Operon” ? •Bacterial gene organization •Cluster of genes under the control of the same promoter and operator •Promoter, operator & structural gene(s) •In E.coli  25 operons controlling 250 genes •Inducible & Repressible operons •Lac operon and Trp operon 10
  11. 11. http://www.nature.com/scitable/resource?action=showFullImageForTopic&imgSrc=/scitable/content/33138/pierce_16_3_FULL.jpg 11
  12. 12. Inducible & repressible operons •Defined by the response of operon to metabolite (small molecule) Adapted from :http://www.bx.psu.edu/~ross/workmg/PosNegCntrlCh15.htm 12 Type of operon Presence of metabolite Effect on operon Example Inducible Lactose ON Lac operon Repressible Tryptophan OFF Trp operon
  13. 13. Inducible operon 13 (Simmons MJ and Snustad DP, 2010)
  14. 14. Repressible operon 14 (Simmons MJ and Snustad DP, 2010)
  15. 15. Terminology •Promoter: ตาแหน่ง sequence บน DNA ที่ให้ RNA polymerase เข้ามาจับเพื่อการถอดรหัส 15 http://connorfowlerdotcom.wordpress.com/tag/biology/
  16. 16. Terminology (II) •Operator: เป็นตาแหน่ง DNA sequence ที่ให้ regulatory protein เข้ามาจับ •Inducer : โมเลกุลของสารที่เหนี่ยวนาให้เกิดการ แสดงออกของยีน •Repressor: โปรตีนที่เข้าจับกับส่วน operator แล้วยับยั้ง กระบวนการ transcription 16
  17. 17. Lac operon •F. Jacop and J. Monod (1961) •Inducible operon (inducer: allolactose) •Enzyme synthesis for lactose metabolism (-galactosidase) 17 http://www.biologie.uni-hamburg.de/b-online/library/micro229/terry/229sp00/lectures/regulation.html
  18. 18. Components of lac operon •Regulatory gene (I or lac I gene) •Promoter gene (P or lac P gene) •Operator gene (O or lac O gene) 18
  19. 19. Components of lac operon (II) •Structural genes - lac Z gene: ควบคุมการสร้างเอนไซม์ -galactosidase - lac Y gene: ควบคุมการสร้างเอนไซม์ permease เพื่อช่วย ในการ pump lactose เข้าเซลล์ - lac A gene ควบคุมการสร้างเอนไซม์ transacetylase 19
  20. 20. Components of lac operon 20 http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL2060/BIOL2060-23/23_02.jpg
  21. 21. Gene regulation in lac operon •Negative regulation - repressor protein •Positive regulation - presence or absence of glucose - การทางานของโปรตีนควบคุม CAP (Catabolic Activator Protein) - Active form: CAP-cAMP 21
  22. 22. Negative regulation of lac operon •Absence of lactose but presence of glucose Lac I สร้าง repressor protein ไปจับบริเวณ operator Inhibit transcription and translation of lac ZYA -galactosidase 22
  23. 23. Negative regulation of lac operon •Presence of lactose but absence of glucose Inducer binds with repressor protein & inhibit repressor binding with lac O Transcription of lac ZYA -galactosidase Lactose analog เช่น IPTG (isopropyl thiogalactoside) Inducer 23
  24. 24. http://bio1151.nicerweb.com/Locked/media/ch18/lac_operon.html 24
  25. 25. Lactose & Allolactose 25 -1, 6-glycosidic linkage -1, 4-glycosidic linkage
  26. 26. Positive regulation of lac operon •Presence of both glucose and lactose   -galactosidase จนกว่า glucose จะถูกใช้ไป หมดก่อน  “catabolite repression” •การทางานของ RNA polymerase อาศัย CAP-cAMP complex  positive regulator ของ lac operon 26  Glucose =  cAMP =  -galactosidase  Glucose =  cAMP =  -galactosidase
  27. 27. CAP-cAMP •CAP: cyclic AMP receptor protein or catabolite activator protein : promoter •cAMP: effector molecule  adenosine-3’, 5’– phosphate •CAP only  cannot bind with lac operon •Active form: CAP-cAMP  enhance RNA polymerase activity 27 http://www.ufrgs.br/depbiot/blaber/section3/section3.htm
  28. 28. 28 http://cnx.org/content/m44535/latest/
  29. 29. 29 (Alberts et al., 2007) = cAMP
  30. 30. Summary of lac operon Glucose cAMP Lactose Expression of lac operon +  - No mRNA +  + Slow mRNA synthesis -  - No mRNA -  + Rapid mRNA synthesis 30 Adapted from : http://biocadmin.otago.ac.nz/fmi/xsl/bioc2/learnbitsdetail.xsl?-db=BIOC2web.fp7&-lay=AllFieldsLayout&- max=100&RecID=158&-find •Negative regulation: lac repressor •Positive regulation: CAP-cAMP • glucose   cAMP
  31. 31. Trp operon •Charles Yanofsky and his colleaque(1981) •Repressible operon •Enzyme for tryptophan synthesis (anabolic pathway) •Chorismic acid  tryptophan •Controlled by operator and attenuation mechanism •Repressor protein & corepressor (tryptophan) 31
  32. 32. Components of Trp operon •Promoter, operator, attenuator (leader region) •Structural genes - trp E  antranilate synthetase component I - trp D  antranilate synthetase component II - trp C  N-(5’phosphoribosyl)-anthranilate isomerase Indole-3-glycerol phosphate synthase - trp B  tryptophan synthase (-subunit) - trp A  tryptophan synthase (-subunit) 32
  33. 33. (Russell PJ, 2010) 33
  34. 34. Regulation of trp operon Presence of tryptophan 34 Tryptophan binds with inactivate (aporepressor) repressor protein Active repressor protein binds with operator Inhibit function of RNA polymerase No tryptophan synthesis in bacterial cell
  35. 35. Regulation of trp operon Absence of tryptophan 35 No tryptophan binds with inactivate repressor protein No active repressor protein binds with operator No inhibition of RNA polymerase Tryptophan synthesis in bacterial cell
  36. 36. (Alberts et al., 2007) 36
  37. 37. Attenuation mechanism •Mechanism for controlling tryptophan synthesis •Attenuator sequence: leader region near trpL sequences , 162 bp (5’UTR) 4 domains •Leader peptide: 2 trp molecules pos. 10&11  control attenuator •Other amino acids: histidine, phenylalanine and threonine. 37
  38. 38. Possibility of mRNA folding 38 Leader peptide: 14 aa (2 tryptophan molecules)
  39. 39. http://www.nature.com/scitable/resource?action=showFullImageForTopic&imgSrc=/scitable/content/19425/pierce_16_16_FULL.gif 39
  40. 40. 40
  41. 41. http://www.csun.edu/~hcbio027/biotechnology/lec4a/trp.html Summary of trp operon 41
  42. 42. Summary of lac and trp operons Lac operon Trp operon Type of operon Inducible Repressible Metabolism Catabolism Anabolism Purpose of synthesis -galactosidase Tryptophan Regulation mechanism Lac repressor & CAP-cAMP Tryptophan & attenuation Metabolites Allolactose (inducer) Tryptophan (co-repressor) 42
  43. 43. Gene regulation in Eukaryotes •Absence of operon •Regulation in each level of expression 43 (Alberts et al., 2008)
  44. 44. 44 http://www.mun.ca/biology/ desmid/brian/BIOL2060/ BIOL2060-23/23_10.jpg
  45. 45. References •เอกสารประกอบการสอน MT4021 เทคโนโลยีชีวภาพ เรื่อง การควบคุมการแสดงออก ของยีน คณะเทคนิคการแพทย์ มหาวิทยาลัยหัวเฉียวเฉลิมพระเกียรติ 2556. •สิทธิศักดิ์ หรรษาเวก. การควบคุมการแสดงออกของยีน. ใน: เซลล์ชีววิทยาทางการแพทย์ 1. กรุงเทพฯ: ภาควิชาชีวเคมี คณะแพทยศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย. •Snustad DP, Simmons MJ. Regulation of gene expression in prokaryotes and their viruses. In: Principles of genetics. 5th ed. Asia: John Wiley & Sons; 2010. •Fitzgerald-Hayes M, Reichsman F. DNA and Biotechnology. 3rd ed. China: Academic Press (Elsevier); 2010. •ตรีทิพย์ รัตนวรชัย. การควบคุมการแสดงออกของยีน. ใน: อณูพันธุศาสตร์เบื้องต้น มหัศจรรย์ของดีเอ็นเอ. พิมพ์ครั้งที่ 1. กรุงเทพฯ: โรงพิมพ์แห่งจุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย; 2552. •Russell PJ. Regulation of gene expression in bacteria and bacteriophage. In: iGenetics a molecular approach. 3rd ed. San Francisco, CA: Pearson Education; 2010. 45

×